生长素的生物合成以及其在植物发育中的作用

生长素的生物合成以及其在植物发育中的作用

关键词：拟南芥，色氨酸，YUCCA, TAA1，黄素单加氧酶

摘要：高等植物中最主要的生长素，即吲哚-3-乙酸（IAA），对植物的生长和发育具有不可估量的作用。植物和一些植物病原体能够产生生长素进而调节植物的生长。尽管我们对一些植物病原体中合成生长素的基因和生化反应已有了很好的了解，但是对植物产生生长素机制的阐明是困难的。迄今为止，关于生长素的从头合成，还没有一个完整的信号通路被学术界普遍认同。然而，最近的研究，发现了色氨酸依赖的生长素合成途径中的几个基因。最近的发现也证明，局部生长素的合成在很多发育过程中起着重要作用，如配子形成，胚胎发育，幼苗生长，维管的形成，以及花的发育等过程。最这篇综述中，我总结了关于剖析生长素生物合成途径的最新进展，以及如何理解生长素的生物合成，为分析植物发育机制提供一个关键的角度。

前言

生长素被认定为一种植物生长激素，因为它能够通过刺激不同的生长来应答光刺激。在体外，含有生长素的琼脂块可以刺激燕麦胚芽鞘的生长，因此我们认定吲哚-3-乙酸（IAA）是植物体内自然存在的主要生长素。为植物提供IAA或合成的生长素，可以对植物的生长发育产生巨大的改变。很多关于生长素的生理作用的知识，来自于对植物如何对施加的外源生长素产生反应的研究。然而，关于生长素生物学，一个同样重要的方面是，有发育缺陷特征的植株是有生长素缺乏引起的，对生长素的合成途径没有一个清晰的理解就不可能解决上述问题。

与了解生长素信号和运输方面的巨大进步相比，我们对植物中生长素是如何产生的更加了解。对生长素生物合成的分子和生化机制的阐明，将会对生长素在植物发育中的作用的定义产生很大影响。尽管在生长素生物学中它的价值是明显的，但是对植物学家来说生长素的生物合成仍然是一个难以实现的目标。直到最近，才用分子遗传学方法鉴定了几个从头合成生长素的关键基因。

植物体中生长素的生物合成极其复杂。从头合成的生长素产品很可能和许多途径有关。可以通过水解分裂IAA的氨基酸、IAA的糖、IAA的甲基酯，把IAA 从其结合物中释放出来。此外，尽管对生长素的生物合成来说，植物共享一个在进化上保守的核心机制，然而，不同的植物种类可能有其独特的策略和变通来完善它们自身IAA的生物合成。在这片文章中，我单独讨论了色氨酸依赖的生长素合成的机制。关于色氨酸非依赖的生长素合成途径讨论以及生长素的共轭/修正，我们可以在别处找到。我集中介绍一下拟南芥中被识别的生长素合成基因，也简要的讨论一下与之相关的其它种的研究。我也用两个例子来证明，生长素合成方面的有关知识为解决植物发育的关键问题提供遗传学基础。

来自植物病原体中生长素合成的知识

植物病原体，例如农杆菌属可以产生生长素来挟持植物细胞从中获取营养物质。假单胞杆菌属和脓杆菌属的菌体可以用一个名为iaaM的色氨酸-2-单加氧酶使色氨酸转变为吲哚-3-乙酰胺（IAM），IAM随后被iaaH水解酶水解为IAA。iaaM/iaaH途径是目前为止我们知道的仅有的一条完整的色氨酸依赖的IAA合成途径。通常认为植物不能用iaaM/iaaH途径来合成生长素。然而，IAM存在于植

物提取物中，并且已经表明在吲哚-3-乙醛肟转变为IAA时，IAM充当一个关键的中间体。此外，在拟南芥中已经识别了一个将IAM水解为IAA的酰胺酶家族，表明植物中IAM可能是IAA生物合成的中间体。然而，植物中产生IAM的生化反应仍然没有被发现。

对iaaM/iaaH途径的阐明是剖析植物中生长素合成最新进展的关键。细菌的iaaM基因也能够提供一个有用的方法来操纵转基因植物中生长素的水平。在矮牵牛花、烟草和拟南芥中，iaaM基因可以独自超标达，这会导致过量产生生长素表型的植株出现，这表明植物体内含有水解IAM的酶。当在光下培育时，转基因的拟南芥通过CaMV 35S启动子的调控使iaaM基因超表达，这种植株要比野生型植株高的多。iaaM的超标达线定义了拟南芥中过度产生生长素的特点，因此为辨别植物中生长素合成基因提供了特征。IaaM基因的组织特异性表达使局部生长素的供应成为可能，这就为证明在生长素合成中黄素单加氧酶家族所起的作用，提供了一个关键性的证据。

通过吲哚-3-丙酮酸（IPA）途径色氨酸也可以产生生长素，这个途径是在一些微生物中发现的。并不像iaaM/iaaH途径，微生物中的IPA途径并没有完全被了解。IPA脱羧酶可以催化IPA转化为吲哚-3-乙醛，并且这种脱羧酶已经从下水道肠杆菌和固氮螺菌中克隆出来，但是在微生物中，负责把色氨酸转变为IPA的基因和把吲哚-3-乙醛转化为IAA的酶最后还没有被识别。来自于与微生物的IPA 脱羧酶在植物体内是否具有功能，对此我们还没有进行研究。最近，包括把色氨酸转化为IPA的酶已经在拟南芥中被分离出来。微生物体系对鉴别其它的基因是非常有用的，这些基因包括植物中的IPA途径中的基因。例如，从植物cDNA 文库中筛选基因可以互补微生物中IPA脱氢酶的功能，这可能有助于确定拟南芥中IPA途径的下一个步骤。

对生长素合成的早期分子遗传学研究

关于生长素生物合成的早期生理学研究已经做了全面地评估。生理和稳定同位素标记研究确定在植物体内，色氨酸是从头合成生长素的前体物质。此外，到目前为止，所有在微生物中被确定的生长素合成途径都是色氨酸依赖的。因此，早期对生长素合成的分子遗传学研究主要集中于对色氨酸缺失突变体的研究是合理的。令人惊讶的是，在野生型和色氨酸突变体中，游离IAA的水平没有什么不同。事实上，营养缺陷型色氨酸突变体确实产生了更多的IAA复合物。与IAA的测量结果一致，IAA分析实验所用的拟南芥的色氨酸突变体并没有表现出很大的发育上的缺陷，但是在一些已知的pin1和monopteros生长素突变体中以发现这种缺陷。用15N标记的邻氨基苯甲酸和2H5标记的色氨酸做进一步的喂养实验产生了一个假设，即在拟南芥和玉米中，主要通过一条色氨酸非依赖的途径产生IAA。尽管早期对色氨酸突变体的研究是有意义的，但是它们不能确定植物中负责生长素合成的基因。此外，色氨酸突变体实验的解释并不直接。我们很难确定色氨酸突变体的生长缺陷，是否是由合成蛋白、生长素、其它的色氨酸代谢物或者是几个过程的结合出问题所引起的。早期生长素研究中所用的色氨酸突变体并不是真正的色氨酸缺失突变体，因为这些突变体仍然可以长生一些色氨酸。这种残留的色氨酸合成活动，可能会使生物化学的分析实验变得更复杂。在色氨酸突变体中，为了不同的代谢途径而输出的色氨酸可能也会发生改变。

通过对拟南芥的遗传学研究确定生长素合成的途径